基于声学超材料的阻抗匹配波前变换透镜

几个世纪以来,几何光学作为一门成熟的技术,已经广泛应用于设计各种类型的介质透镜。介质透镜设计方法通常分为两种:一种是基于透镜的几何形状,主要用于设计各种光学器件,这类透镜加工难度大,生产成本高;另一种是基于介质参数的非均匀分布,如龙伯透镜、麦克斯韦鱼眼透镜等。近年来,电磁超材料(Metamaterials)的发展给非均匀透镜的实现带来了新途径,其独特性质越发受到关注。类似于电磁超材料,声学超材料也有许多自然界不存在的奇特性质,例如双负特性(负等效密度和负弹性模量)、零折射率等,可用来实现负折射率、隐身、幻象等功能。

渐变折射率(GRIN)材料是一种等效折射率分布随空间变化而逐渐改变的人工超材料。根据折射率与等效密度、弹性模量之间的关系,声学上通过设计人工单元结构可以实现渐变折射率材料。声波进入渐变折射率材料后,其传播路径会随着折射率的分布产生连续弯曲,改变传播方向。传统的平面聚焦透镜折射率只沿一个方向一维分布,入射波传播到折射率较大的透镜表面时阻抗不匹配产生大量反射,导致能量不能高效地通过透镜,降低了声学器件的效率。因此,设计一种宽带、阻抗匹配、具有高效透波率的平面透镜成为当前需要解决的问题。

上图为实验样品照片,下图为声波聚焦模拟图

最近,东南大学毫米波国家重点实验室柏林(硕士生)、蒋卫祥教授、崔铁军教授等人提出一种阻抗匹配、声学波前变换透镜的设计方法。运用该方法所设计的功能透镜折射率沿两个维度连续变化且透镜边界相对阻抗为1,因此透镜阻抗与周围空间自然匹配,入射波通过透镜时几乎无反射。与传统波前变换透镜相比,出射波的相位与幅度更加均匀。作为实例,文中实现了一个阻抗匹配聚焦透镜,采用二维各向同性风车形结构作为基本单元。通过调节微结构的几何尺寸,该单元可实现折射率从1.01到1.76的变化范围,且其等效参数随频率变化平缓,具有宽带特性,可在5000至9000 Hz的频率范围内工作。

为了验证所提出的设计方法,文中加工制作了一个阻抗匹配声学聚焦透镜。该透镜由光敏树脂材料组成、经3D打印而成。实验测试结果与数值模拟吻合良好,可以明显地观察到聚焦效果,入射波基本无反射,能量可以高效率地通过透镜。该透镜的工作带宽为4000 Hz,相对中心频率为7000 Hz,具有57%的相对带宽。除聚焦透镜外,文中也给出了发散透镜和偏折透镜的设计方案,而其他功能透镜几乎可以由这三种透镜组合而成。该方法可以显著提高声学功能透镜的透波率,在未来声波通信、声学医疗及其他各类声学器件中具有很多潜在应用,相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800064) 上。

Speak Your Mind

*